层状介质中轴对称柱面瑞利面波频散函数的计算

本采用层状、均匀、各向同性和完全弹性模型，在柱坐标系下，利用位移应力在各界面处连续及自由表面边界条件和无穷远处的辐射条件，得出了层状介质中轴对称柱面瑞利面波的频散函数，并进行了数值计算，取得了好的效果。对瑞利面波在工程中的应用有一定的理论指导作用。     

瑞利面波高阶模式椭圆极化频散特征理论推导及数值模拟研究

随着城市地下空间的深入开挖和利用,地表变形和沉降塌陷等最常见的工程事故等问题给人民和国家造成了严重生命财产损失.为降低和避免这一危害,迫切需要一种能够在事故发生前对其进行有效观测和预警的方法.传统大地测量、GPS等方法只能在位移发生后进行测量,抗压抗剪等地质试验手段可通过观测介质物性参数对其状态进行预测,但其效率低成本高.常规物探手段如电法、GPR、主动源或被动源地震等方法,因本身方法原理或周围环境所限,不能满足城市环境下的有效测量和预警.传统瑞利面波速度频散法野外工作需布置长大排列,因此也受限于城市环境.为解决上述问题,作者通过前期研究提出了基阶瑞利面波椭圆极化频散方法,即单点矢量瑞利面波法,该方法无需长大排列,只需通过单点采集的多分量信息对地下介质结构进行推断,因此可有效解决上述应用瓶颈问题.本文在前期研究基础之上,进一步对多模式瑞利面波椭圆极化特征进行了理论和数值模拟研究,结果表明,类似基阶面波,高阶同样具有椭圆极化频散特性,且其与地层(速度)泊松比结构同样密切相关,甚至特征更明显;但由于具有较强特征椭圆极化特性的某一面波模式,其能量可能较弱,误差也可能较大.因此,在利用瑞利面波...     

水平层状介质中Rayleigh波多模式速度频散和椭圆极化频散特征物理实验模拟研究

Rayleigh波勘探作为地震勘探的主要方法之一,一直受到地球物理勘探学界的广泛关注,而Rayleigh波研究领域的焦点就是对频散特性的研究.本文基于超声虚拟仪器实验平台,从超声波和超声换能器特性出发,对均匀介质、低速覆盖和高速覆盖等模型中的Rayleigh波波场进行观测,运用时域分析、f-v域波场变换和H/V谱比等方法,研究层状介质中Rayleigh波多模式速度频散和椭圆极化的频散特征.在实验过程中,虚拟仪器技术的运用为Rayleigh波频散特性的多模态展现和识别提供了良好的平台,是本研究有力的技术保障.实验研究发现,在低速覆盖的水平层状介质中,Rayleigh波存在多模式频散,高阶模式对浅层速度变化更敏感,即便基阶模式面波占优,高阶成分仍易对地层信息识别造成误判;然而,当上覆层为高速介质时,此类模型中未观测到明显的Rayleigh波多模式现象.研究还发现Rayleigh波椭圆极化率与介质泊松比是密切相关的,该结论与前期理论研究结果非常吻合,从而进一步验证了Rayleigh波椭圆极化频散用于评价地层速度结构的可行性.     

面波频散能量谱计算方法

面波勘探通过对提取面波的频散曲线等观测进而反演获得探测目标信息。面波勘探技术始于20世纪60年代,但近几十年来迅猛发展,已经被广泛应用在地震灾害及火山活动预测、深部地质结构、工程施工、矿区采空区、塌陷区探测以及星体近地表结构探测等方面。为了更全面了解面波勘探技术,本文从面波勘探技术的主动震源和被动震源这两种数据类型开始,回顾基于频散曲线和水平垂直振幅谱比观测的面波勘探技术基本理论,简要介绍面波反演方法,并介绍面波勘探技术的应用领域和发展趋势和前景。

     

工程勘察中稳态瑞利面波法解释理论的探讨

工程勘探中稳态瑞利波法的实测曲线与介质性质有着密切的对应关系.传统的解释理论以自由表面瑞利面波的传播为基础.然而源检距很小时,漏能型面波（或多次复合反射波）的形成能更合理地解释记录曲线上的特征点.解释理论的正确性将有利于扩展该方法的实际应用.     

工程勘察中稳态瑞利面波法解释理论的探讨

工程勘探中稳态瑞利波法的实测曲线与介质性质有着密切的对应关系.传统的解释理论以自由表面瑞利面波的传播为基础.然而源检距很小时,漏能型面波（或多次复合反射波）的形成能更合理地解释记录曲线上的特征点.解释理论的正确性将有利于扩展该方法的实际应用.     

华北地区基于噪声的瑞利面波群速度层析成像

本文利用华北地震科学台阵2007年1~4月份、190个宽频带和10个甚宽带垂直分量的地震噪声数据,通过互相关方法提取了瑞利面波的经验格林函数,用多重滤波方法测量了瑞利面波的群速度频散曲线.我们将研究区域划分为0.5°×0.5°的网格,利用噪声层析成像方法得到了研究区域7 s、12 s、16 s、23 s的瑞利面波群速度分布图像,所得结果较好地揭示了地壳内部、尤其是浅部地壳的横向速度变化.研究表明,短周期的群速度分布同地表地质结构、地形密切相关;华北地区的地壳结构具有明显的横向不均匀性,华北盆地及山间的沉积盆地显示出低速异常,而基岩广泛出露的太行山和燕山隆起区,呈现高速异常;多数强震(M≥6.0级)都发生在高群速度与低群速度的过渡地带.     

地幔瑞利面波的频散和衰减

本文利用世界标准地震台网（WWSSN）29个台记录的渤海地震（1969年7月18日,Ms=7.4）、炉霍地震（1973年2月6日,Ms=7.9）、海城地震（1975年2月4日,Ms=7.3）的长周期瑞利面波R1、R2、R3,测定了40—250秒周期内R2波群速度,45—200秒周期内经地球大圆路径的瑞利面波衰减系数和Q值,并讨论了地幔瑞利面波频散和衰减特征以及与区域构造间可能的联系。     

瑞利面波地形效应的数值模拟研究

在地震工程中,经常观测到地震波受地表起伏的影响而产生地形效应.本文基于数值模拟,研究了地震远场区域起伏地形对地表瑞利面波传播影响和对应的地形效应特征.结果表明:起伏地形的转折点或面的散射或反射,产生反方向传播的反射RR波和向空间扩散传播的转换RS体波,导致通过地形的瑞利面波能量极大的减弱,地形总体表现出强的隔震效应.地形起伏与地震动的波长比越大,隔震效应越强.凹陷地形表现出远比隆起地形更大的隔震效应.起伏地形转折引起的地表张角变化,导致地震动能量分布密度改变,是地形出现局部放大或减弱特征的主要因素.地表张角小于180°,地震动放大,张角越小放大作用越明显.地表张角大于180°,地震动减弱,张角越大减弱作用越强.当地形对地震动产生放大作用时,地震动水平分量比垂直分量放大效果更明显,而当地形产生减弱作用时,相对于水平分量,垂直分量更容易被减弱.     

地幔瑞利面波的频散和衰减

本文利用世界标准地震台网（WWSSN）29个台记录的渤海地震（1969年7月18日,M_s=7.4）、炉霍地震（1973年2月6日,M_s=7.9）、海城地震（1975年2月4日,M_s=7.3）的长周期瑞利面波R₁、R₂、R₃,测定了40-250秒周期内R₂波群速度,45-200秒周期内经地球大圆路径的瑞利面波衰减系数和Q值,并讨论了地幔瑞利面波频散和衰减特征以及与区域构造间可能的联系。     

单轴加载条件下瑞利波偏振和不同震相波速对应力敏感性的实验研究

岩石应力状态的改变会使接收到的波形发生变化,这是利用弹性波检测介质性质和应力变化的基础.研究对应力敏感的弹性波参数及其分析方法对于发展介质应力监测技术具有重要意义.本文在实验室内以长方体花岗岩为样本,在不同的单轴压力下重复激发超声波且用三分量的传感器接收,利用记录的全波形信息研究了不同震相的到时、Rayleigh波偏振与岩石应力状态变化的关系.结果表明:①不同震相的波速对应力变化的敏感性为10-8/Pa数量级,且敏感程度从大到小依次为:Rayleigh波＞S波＞P波.②随着应力的增大,Rayleigh波偏振变强,但其敏感性随应力增大而变小,这反映出了介质性质的非线性变化特性.③应力较小时,Rayleigh波偏振对应力的敏感性比波速大数倍.     

基于单台加速度记录的混合全局优化HVSR反演场地浅层速度结构

利用水平与竖向谱比（HVSR）方法反演场地速度结构是国际上迅速发展的研究领域.HVSR反演计算实质是一个土层场地模型空间搜索的全局优化问题,当模型搜索空间的复杂程度增大时,目前常用的搜索算法收敛速度慢,计算效率较低.本文实现了一种结合遗传和模拟退火方法优点的混合全局优化HVSR反演算法,通过理论模型和竖向台阵实测数据的检验,表明该算法能获得很好的反演效果,较好地解决了蒙特卡罗方法收敛速度慢,遗传算法收敛早熟和模拟退火算法搜索效率低的问题.本文在此基础上讨论了单台加速度S波记录用于场地速度结构HVSR反演的适用性,为基于单个地震台的地震观测记录反演浅层速度结构提供了一种高效且较为准确的反演方法.

     

裂隙展布特征对EGS采热影响的理论数值模拟研究

增强型地热系统(EGS)储层的裂隙展布特征决定了热开采的效果.基于EGS储层压裂得到的裂隙网络呈现出较强的非均匀性,本文构建EGS平行多裂隙非均匀展布模型研究裂隙展布特征对EGS采热影响.为表征裂隙展布的非均匀性,创新地引入了优势流动比的概念.研究结果表明:在体积为500 m×600 m×600 m,初始温度200℃,均匀激发热储层7条裂隙展布,流量为30 kg/s时,储层产出温度可保持储层初始温度15年,并在热开采进行50年后仍能保持较高产出温度192.3℃,电功率为2.88～3.10 MW,电功率的降幅仅为7.1%.非均匀激发热储层的采热性能受到裂隙数量和裂隙展布特征的共同影响.产出温度与裂隙数量呈不严格的正相关性,并与优势裂隙比呈负相关性.非均匀压裂的热储层中,通过封堵优势裂隙或增强储层压裂使裂隙宽度均匀化,均可增强系统的采热性能.综合来看,裂隙数目越多,裂隙宽度分布越均匀,流体产出温度越高,采热效果越好.本文对EGS地热田的储层激发,和人工热储层的构建有一定的指导意义.     

Ambient noise as the new source for urban engineering seismology and earthquake engineering: a case study from Beijing metropolitan area

In highly populated urban centers, traditional seismic survey sources can no longer be properly applied due to restrictions in modern civilian life styles. The ambient vibration noise, including both microseisms and microtremor, though are generally weak but available anywhere and anytime, can be an ideal supplementary source for conducting seismic surveys for engineering seismology and earthquake engineering. This is fundamentally supported by advanced digital signal processing techniques for effectively extracting the useful information out from the noise. Thus, it can be essentially regarded as a passive seismic method. In this paper we first make a brief survey of the ambient vibration noise, followed by a quick summary of digital signal processing for passive seismic surveys. Then the applications of ambient noise in engineering seismology and earthquake engineering for urban settings are illustrated with examples from Beijing metropolitan area. For engineering seismology the example is the assessment of site effect in a large area via microtremor observations. For earthquake engineering the example is for structural characterization of a typical reinforced concrete high-rise building using background vibration noise. By showing these examples we argue that the ambient noise can be treated as a new source that is economical, practical, and particularly valuable to engineering seismology and earthquake engineering projects for seismic hazard mitigation in urban areas.     

噪声HVSR法在OBS探测中的应用——以珠江口外海OBS台阵为例

噪声谱比法(horizontal-to-vertical spectral ratio, HVSR)通常用于确定沉积层的厚度, 而应用于海底地震仪(OBS)以获取海底沉积厚度的研究较少.本文将HVSR法应用于珠江口外海域OBS台阵中, 验证了该方法用于OBS探测中的可靠性.通过对珠江口外海27台OBS收集的三分量地震噪声记录进行处理, 得到了所有台站的HVSR曲线.有23台OBS的HVSR曲线可获取与沉积层厚度相关的峰值频率, 通过经验公式可以计算得到沉积层厚度.结果显示, 珠江口外海域沉积层(新生代地层)厚度范围为100~3500 m, 研究区东南部沉积层远厚于西北部, 且沉积厚度受到NEE向滨海断裂带控制.本文获得的结果与以往依靠反射地震剖面和钻井等获得的沉积层厚度结果基本一致.进一步分析发现研究区新生代地层具有多层结构, 大部分HVSR曲线在5~12 Hz存在振幅最大的波峰, 认为是与第四系厚度相关的峰值频率, 继而确定第四系厚度为20~50 m.本研究拓展了HVSR法的应用领域, 为获取海底沉积层厚度提供了一种新的可靠方法.

     

一种基于频率域偏振分析提高三分量地震资料信噪比的方法

三分量地震资料包含着丰富的运动学和动力学信息,各种随机噪声的存在严重降低了资料的信噪比,给有效信息的提取带来了一定的困难.本文在引入多窗谱分析方法的基础上,通过对谱密度矩阵特征问题的求解提取三分量地震记录的偏振参数,实现频率域偏振分析;根据所求得的偏振参数以及随机噪声和有效信号的偏振特性差异,设计相应的自适应滤波器,通过该滤波器的滤波作用,最终实现压制随机噪声的目的.     

用于地震波场模拟的PML边界衰减因子研究(英文)

在地震波场数值模拟中,为了消除由人为边界产生的边界反射,需要引进边界吸收条件。本文从声波方程完全匹配层吸收边界的经典方法出发,基于高斯函数任意阶光滑的特点,提出了一种高斯型衰减因子,分析比较该因子与一般衰减因子的性质,并基于均匀与层状速度模型分别进行了数值模拟计算。数值结果显示,当选择相同的PML边界吸收层层数时,高斯型衰减因子的吸收效果明显优于一般的衰减因子,边界反射更少,信噪比更高;对比最近提出的正弦型衰减因子,在信噪比接近的情况下,高斯型衰减因子所需的PML吸收层层数更少。     

基于张衡一号卫星波动观测的人工甚低频台站信号特征统计分析

地基人工甚低频(10~30 kHz)台站信号可以穿透电离层, 甚至泄露进地球磁层, 从而导致内辐射带高能电子的沉降.研究人工甚低频台站信号的特征对于研究辐射带电子的损失具有重要的科学意义.基于张衡一号卫星2019—2022年的电场观测数据, 本文对全球10个人工甚低频台站在电离层中的信号特征进行了研究, 统计分析了电离层中人工甚低频台站信号的昼夜差异、季变规律、对地磁活动水平的依赖性, 及其在地磁共轭区的分布特征.结果表明, 人工甚低频台站信号会传播至台站上空电离层及其共轭区, 信号辐射范围及强度与台站的发射功率呈正相关.电离层电子密度对甚低频信号的传播具有重要影响, 在夜侧和当地冬季, 电离层电子密度相对较小时, 泄露进入内磁层的人工甚低频台站信号较强, 而信号强度受地磁活动影响很弱.在台站上空, 信号增强区域以穿刺点为中心呈现近圆形分布, 并存在明显的波模干涉效应, 在共轭半球, 信号增强区域中心相对共轭穿刺点会发生极向漂移(L＜2的台站)或赤道向漂移(L＞2的台站), 但所有台站的电波能量都被限制在1/2赤道电子回旋频率磁壳以内的区域.这些统计观测特征表明, 发射台站位于较低L值(L＜1.4)的人工甚低频台站信号在内磁层中主要以非导管模式传播到共轭半球, 而发射台站位于较高L值(L＞2.6)的人工甚低频台站信号主要以导管模式传播.

     

三维波动方程基准面校正方法的应用研究

波动方程基准面校正处理被认为是当地表高程变化剧烈、地表一致性假设又不成立的情况下对于常规高程基准面校正的必要替代. 在二维波动方程基准面校正方面,前人已经作了大量工作,并且在实际应用中获得了良好的效果,应该将其进一步推广到三维. 本文采用三维频率空间域有限差分波场延拓算子以“逐步－累加”的方式实现了三维波动方程基准面校正,并对实际数据进行了处理. 对于西部某三维数据的实际计算结果表明,相对于传统的模型法高程静校正,波动方程基准面校正更合理地实现了基准面校正,有助于提高后续的速度分析精度和成像质量.     

基于龙门山断裂带中段平行逆断层格局 和动力学背景的特征地震数值模拟实验

本文构建一种应用有限元开展特征地震数值模拟的新方法, 并以龙门山断裂带中段的浅层构造和动力学机制为背景, 研究了平行逆冲断层分布格局对区域地震活动性的影响. 结果表明, 从断层活动相互影响的角度看, 包含3条平行逆断层的断裂带的整体地震活动性并不适用严格周期的特征地震模型, 当断层间距在20 km以下时, 随着断层间距的缩短, 对单条断层应用特征地震模型的适用性会逐渐降低. 龙门山断裂带中段的模拟计算结果显示, 后山断裂的地震活动相对独立, 区域活动性和中央断裂的断层活动很可能不适用严格周期的特征地震模型.